引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的需求和品質(zhì)的要求不斷提高[1]。這就需要產(chǎn)品的加工精度越來越高，并且加工周期越來越短。本設(shè)計(jì)中的裁床主要是針對(duì)服裝等相關(guān)行業(yè)的軟性材料裁剪，國(guó)內(nèi)在該方面自動(dòng)化程度不高，生產(chǎn)效率低，在勞動(dòng)力成本不斷提高的情況下，急切需要提高自動(dòng)化程度。目前先進(jìn)的CAD/CAM系統(tǒng)基本被國(guó)外的公司占據(jù)，較著名的公司有美國(guó)的Gerber公司和法國(guó)的力克公司，進(jìn)口設(shè)備昂貴，維護(hù)維修成本高，中國(guó)的服裝企業(yè)急需性價(jià)比高的裁床。

1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)功能分析

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要包括PLT文件數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊。為了保證系統(tǒng)有較好的數(shù)據(jù)處理能力，系統(tǒng)以ARM CortexA8處理器為核心，嵌入式操作系統(tǒng)使用微軟公司的Windows CE6.0。系統(tǒng)需要從移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備獲取PLT文件，目前主流的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備都是USB接口，因此需要系統(tǒng)具備USB通信功能。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)需要跟執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器PLC進(jìn)行通信，由于數(shù)據(jù)量較大，采用TCP/IP通信比較合理，其功能框圖如圖1所示。

2 PLT文件解析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

PLT文件包含圖形向量信息，原本是用于用戶噴圖打印的[2]。在本系統(tǒng)中，PLT文件被用來存放裁床裁片輪廓邊界點(diǎn)的坐標(biāo)信息和刀筆的操作信息。從存儲(chǔ)設(shè)備中讀取的文件數(shù)據(jù)量較大，包含很多命令。如果將這些數(shù)據(jù)直接傳送到PLC，無疑會(huì)增加數(shù)據(jù)傳輸量，并且需要PLC增加數(shù)據(jù)處理和計(jì)算的過程，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因此，在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中將PLT文件數(shù)據(jù)先進(jìn)行處理，并且進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，從而減少數(shù)據(jù)量，提高PLC處理的實(shí)時(shí)性。

2.1 PLT文件解析

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)讀入的文件是PLT文件，PLT文件源自于HP公司，最初主要用于打印機(jī)指令文件。其命令用來描述2D圖形信息，采用ASCII碼來表示，其內(nèi)容只包含圖形的線條信息。而裁床在裁割過程中裁刀行走的路徑也是由許多線段組成的，因此用PLT文件來描述和存儲(chǔ)裁床裁片形狀的信息是非常合適的。

PLT文件中的一條 PLT指令由命令加參數(shù)的方式組成，分號(hào)表示該條指令結(jié)束。一條指令可以有多個(gè)參數(shù)，參數(shù)之間以逗號(hào)分開。其常用指令如表1所列。

下面以裁割長(zhǎng)方形裁片為例，說明裁床PLT文件的格式。設(shè)定裁床的左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，長(zhǎng)方形裁片位于原點(diǎn)的右上角，其坐標(biāo)點(diǎn)如圖2所示，則該圖形在PLT文件中的數(shù)據(jù)應(yīng)該為“IN; SP1; PU600, 600; PD600, 1 200; PD1 800, 1 200; PD1 800, 600; PD600, 600; PU; PG;”。PLT文件中的長(zhǎng)度與實(shí)際的長(zhǎng)度單位換算關(guān)系：40個(gè)PLT文件中的單位=1 mm。

由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器PLC的存儲(chǔ)空間有限，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)盡可能地減少數(shù)據(jù)總量。在實(shí)際的加工過程中，PLC需要的是加工過程中的坐標(biāo)點(diǎn)值，只要上下位機(jī)之間制定合理的協(xié)議，就可以將PLT文件中的命令去除，直接將坐標(biāo)點(diǎn)發(fā)送到PLC。這樣既有利于節(jié)約下位機(jī)的存儲(chǔ)空間，而且也能減少下位機(jī)的運(yùn)算過程。上下位機(jī)約定每一個(gè)坐標(biāo)值的x和y數(shù)值的長(zhǎng)度都為16位二進(jìn)制數(shù)。那么裁床最大的有效裁割長(zhǎng)度和寬度為65 536/40=1 638.4 mm，足夠普通的裁床使用。

2.2 PLT文件優(yōu)化處理

裁床裁片的PLT文件主要有兩種來源：一是通過工業(yè)相機(jī)采集服裝樣片的圖像，經(jīng)過圖像處理提取樣片輪廓的數(shù)字信息，并通過二次曲線擬合原始的邊界點(diǎn)序列產(chǎn)生輪廓的矢量圖，再將擬合曲線離散化并產(chǎn)生PLT文件[3];二是通過CAD軟件產(chǎn)生。第一種來源的數(shù)據(jù)目的性強(qiáng)，因此會(huì)考慮到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，盡可能地將數(shù)據(jù)精簡(jiǎn);而由CAD軟件產(chǎn)生的PLT文件并不一定會(huì)考慮文件的具體應(yīng)用對(duì)精度的不同要求，產(chǎn)生的PLT文件一般是固定的。服裝行業(yè)對(duì)精度的要求一般來說沒有機(jī)械零件對(duì)精度的要求高。在裁床設(shè)備中，這些PLT文件中可能會(huì)存在大量的冗余數(shù)據(jù)，增加了數(shù)據(jù)總量。另外這些數(shù)據(jù)肯定相近的是坐標(biāo)點(diǎn)，這會(huì)造成裁床在實(shí)際裁割過程中需要不斷頻繁地加減速，對(duì)設(shè)備剛度會(huì)提出較高的要求，對(duì)電機(jī)的性能也是不小的考驗(yàn)。

PLT文件的優(yōu)化思路：通過三次B樣條擬合由CAD產(chǎn)生的PLT文件中的坐標(biāo)點(diǎn)，獲得裁床裁片的輪廓曲線，并采用直線逼近法用微小線段擬合曲線，從而重新優(yōu)化刀具加工點(diǎn)，減少數(shù)據(jù)量。

在實(shí)際編程實(shí)現(xiàn)B樣條曲線時(shí)，多使用deBoor定義。將參數(shù)t固定在區(qū)間[tj,tj+1],則deBoor算法推導(dǎo)如下：

式(3)表示一條曲線P (t)從K 階B樣條表示到K-1階B樣條表示的遞推公式。在程序中不斷地調(diào)用該公式，可以得到擬合的曲線。

裁床的刀頭在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下容易實(shí)現(xiàn)直線段組成的路徑，而不容易直接走曲線。因此將PLT文件中的數(shù)據(jù)通過上述算法重新擬合之后，還需要通過直線擬合的方式重新獲取路徑坐標(biāo)點(diǎn)，在加工誤差允許范圍內(nèi)，盡可能地減少數(shù)據(jù)量。直線擬合的思路如下：在曲線上有N個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，用Kij(1

① 求出第1點(diǎn)和第2點(diǎn)之間的斜率K12。

② 求出第1點(diǎn)和第j(j>2)點(diǎn)的斜率K1j，每求出一個(gè)K1j就跟K12進(jìn)行比較。如果差值小于設(shè)定的誤差值，則返回第二步繼續(xù)求下一個(gè)K1j，否則進(jìn)入第3步。

③ 回溯到j(luò)-1點(diǎn)的坐標(biāo)值，此時(shí)用直線連接第1點(diǎn)和第j-1點(diǎn)形成的線段可滿足精度要求。

④ 如果j-1

擬合完成后，將形成優(yōu)化后的PLT文件。此文件中的數(shù)據(jù)將作為發(fā)送到PLC和在人機(jī)界面上顯示加工軌跡的數(shù)據(jù)。

2.3 裁片加工軌跡的顯示

裁床控制系統(tǒng)的上位機(jī)人機(jī)界面中，一般都有顯示裁片形狀(加工軌跡)的功能。該功能的主要作用有兩個(gè)：讓操作者能方便快速地知道加載的PLT文件是否為當(dāng)前需要加工的數(shù)據(jù)文件，避免由于選擇錯(cuò)誤的加工數(shù)據(jù)而造成材料浪費(fèi);裁片的排料對(duì)服裝企業(yè)的材料利用率影響較大，通過裁片加工軌跡的顯示，使用者能直觀地知道此數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)在排料方面是否合理。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用的是WinCE 6.0嵌入式操作系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中開發(fā)應(yīng)用軟件可以采用微軟公司提供的Visual Studio 2005集成開發(fā)環(huán)境。在程序中將PLT文件的坐標(biāo)值按比例轉(zhuǎn)換后，通過MFC中的畫直線函數(shù)，把各坐標(biāo)點(diǎn)按照既定的規(guī)則用直線段連接，從而在人機(jī)界面中顯示裁片加工軌跡。為了方便用戶直觀地了解裁片大致尺寸，在顯示頁(yè)面中加入了坐標(biāo)尺。裁片顯示界面及其測(cè)試效果如圖3所示。

3 通信功能的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與外部的通信有兩部分：一是從移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中獲取包含裁片加工信息的USB通信;二是與下位機(jī)PLC之間的TCP/IP通信。

USB設(shè)備分為SLAVE(從設(shè)備)和HOST(主設(shè)備)，只有當(dāng)一臺(tái)HOST與一臺(tái)SLAVE連接時(shí)才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸[4]。簡(jiǎn)單地說，如果一個(gè)設(shè)備支持USB HOST，它就可以從另外一個(gè)USB設(shè)備中取得數(shù)據(jù)。裁床數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)需要從外部移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)，因此必須具備HOST功能。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與下位機(jī)之間采用TCP/IP通信，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)收發(fā)的需要，程序中創(chuàng)建了兩個(gè)端口號(hào)。端口號(hào)6000用于收發(fā)裁片信息數(shù)據(jù)，端口號(hào)6001用于收發(fā)設(shè)置的參數(shù)以及相關(guān)監(jiān)控信息等。上位機(jī)軟件作為客戶端，要根據(jù)PLC的通信端口配置設(shè)置IP和端口號(hào)。PLC作為服務(wù)器端，打開端口并等待上位機(jī)連接，連接成功后等待接收數(shù)據(jù)。如果收到的是裁片信息數(shù)據(jù)，則保存數(shù)據(jù);如果接收到的是設(shè)置參數(shù)的數(shù)據(jù)，則根據(jù)約定的通信協(xié)議來作相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和處理。具體通信協(xié)議如下：

① 工作參數(shù)設(shè)置頭標(biāo)志：“PR”，設(shè)定的參數(shù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不定，以分號(hào)來判斷參數(shù)的長(zhǎng)度。格式如下：

② 系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)置頭標(biāo)志：“SPR”，設(shè)定的參數(shù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不定，以分號(hào)來判斷參數(shù)的長(zhǎng)度。格式如下：

③ 警報(bào)消息接收頭標(biāo)志：“WN”，每個(gè)警報(bào)用1位表示，0表示正常，1表示警報(bào)。格式如下：

④ 開機(jī)時(shí)向PLC詢問上次保存的參數(shù)：發(fā)送“ASK”。軟件“開始”控制：發(fā)送“STR”。

結(jié)語(yǔ)

采用嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)裁床的數(shù)據(jù)處理功能，預(yù)期效果良好。相對(duì)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)來說，此方案移動(dòng)性強(qiáng)、性價(jià)比高。將排料軟件與數(shù)據(jù)處理軟件分開，有利于縮短開發(fā)周期，降低軟件維護(hù)和升級(jí)的成本。